转基因农产品安全性评价研究进展

2015-04-23 | 作者: 邢福国 滑慧娟 刘阳 | 标签: 安全性评价

摘要:转基因生物技术的迅速发展使其成为解决世界粮食短缺和农业环境污染问题,以及提高粮食营养和加工品质的主要手段。随着转基因作物商品化生产进程不断推进,转基因农产品种类和数量急剧增加,但转基因农产品的安全性仍受到怀疑,引起了民众的高度关注。就转基因农产品安全性评价的必要性,食用安全性评价、加工安全性评价和饲用安全性评价的内容和国内外研究进展分别概述,并多角度探讨了转基因农产品安全性评价的关键问题,包括新型转基因农产品的安全性评价、转基因农产品的食用安全标准化等,以期使民众科学地认知转基因农产品的安全性,并为转基因农产品安全性评价标准体系的建设提供科学依据和支撑。

转基因农产品是指利用基因工程技术改变基因组构成的植物、动物和微生物,以及由其生产、加工而成的粮食、食品、食品添加剂和饲料等。近年来,随着转基因生物技术的迅猛发展,转基因作物的种类和数量不断增多,转基因作物的种植面积逐年增加。据国际农业生物技术应用服务组织(ISAAA)统计,2014年全球28个国家1800万农民选择种植转基因作物,转基因作物种植面积由1996年的170万公顷急剧增加到1.81亿公顷,增长了100倍以上。越来越多的转基因作物用于食品、食品添加剂或饲料的生产加工,其转基因成分也已直接或间接地进入了人们的食物链。转基因作物虽然在促进粮食增产、增加农民收入、减轻劳动强度、减轻贫困和饥饿、减少农业环境污染等几方面产生了巨大的效益,为保障粮食安全、可持续发展和气候变化作出了贡献,但是,由于普通民众对转基因技术的不了解,对转基因作物及其加工产品(食品、饲料等)的安全性产生了怀疑和担忧。

本文着重论述转基因农产品安全评价的必要性、食用安全性、加工安全性和饲用安全性评价的内容和研究进展。

1转基因农产品的安全性及其评价必要性

自从转基因作物问世以来,人们对转基因农产品的安全性就一直存在担忧,主要有以下四个方面:第一,转基因农产品的营养安全性。转基因动植物中引入的新基因,可能导致原已存在受体基因的失活或表达变化,改变现有营养成分或者产生新的成分,影响农产品的营养价值和人类的膳食平衡,例如,新鲜的转基因番茄可以储藏数周,但其营养价值较低。

第二,转基因农产品的毒性。转基因农产品中含有的杀虫蛋白、蛋白酶抑制剂等,以及由于外源基因引入使得某些沉默基因表达产生有毒物质,可能会对人畜健康造成毒性伤害。

第三,转基因农产品的潜在致敏性。转基因动植物中引入的新基因表达的蛋白质可能具有潜在致敏性,从而引起过敏人群的过敏反应。

第四,转基因农产品中外源基因的水平转移。转基因农产品中的外源基因可能会发生基因水平转移和重组DNA,给人体健康带来危害。

由于转基因农产品存在上述潜在危害,所以在转基因动植物新品种的研发和政府审批过程中,必须对转基因农产品进行严格的安全性评价。我国政府高度重视转基因农产品安全,早在2001年,我国就颁布实施了《农业转基因生物安全管理条例》,要求在我国境内种植和销售的转基因农产品都要开展安全评价,并制定了相应的转基因农产品安全评价指南,安全评价的内容和指标均等于或高于国际法规。转基因农产品安全性评价一般应遵循个案分析原则和实质等同性原则。

2转基因农产品食用安全性评价

目前,转基因农产品食用安全性评价的内容主要包括:关键成分分析和营养学评价、新表达蛋白和全食品的毒理学评价、致敏性评价和免疫安全性评价,并结合期望效应和非期望效应进行综合性评价。


2.1转基因农产品的关键成分分析和营养学评价

人们对食物的需求就在于它为人类提供生存必须的能量和各类营养物质,因此对转基因农产品营养成分的分析是转基因农产品食用安全性评价的重要组成部分。评价的营养成分主要包括蛋白质、淀粉、纤维素、脂肪、脂肪酸、氨基酸、矿物质、维生素等营养素,棉酚、硫代葡萄糖、芥酸等天然毒素及有害物质,大豆胰蛋白酶抑制剂、大豆凝集素、大豆寡糖、玉米植酸、油菜籽单宁等抗营养因子,以及其他固有成分和非预期成分。转基因农产品的关键成分分析和营养安全性评价主要依据实质等同性原则。目前,国内外许多研究者已经研究了转基因大豆、玉米、水稻等转基因农产品的营养组成、含量及其营养价值,结果发现这些转基因作物与其亲本的主要营养成分无明显差异,均具有实质等同性。国际上批准生产的转基因农产品和我国颁发安全证书的转Bt基因水稻和转植酸酶玉米都经过了系统的营养学评价,试验数据都证明了与非转基因农产品具有等同的营养功效。

2.2转基因农产品的毒理学评价

转基因农产品的毒理学评价主要包括两个方面:

一是外源基因表达产物和外源基因导入可能产生的毒素毒理学评价;二是转基因农产品的全食品毒理学评价。

外源基因表达产物的评价一般按照传统化学物质的安全性评价方法,对外源基因表达蛋白的安全评价一般有3项指标:一是通过与国际权威大型公共数据库中已知毒蛋白质和抗营养因子(如蛋白酶抑制剂、植物凝集素等)氨基酸序列同源性比较,分析是否具有潜在毒性;二是加热条件下检测分析外源基因表达蛋白质的稳定性,通过体外模拟胃液实验分析蛋白质消化稳定性;三是外源基因表达蛋白的急性经口毒性实验。

转基因农产品的全食品毒理学评价,主要是进行大鼠90天喂养实验,根据个案分析原则,必要时进行大鼠慢性毒性、生殖毒性及其他动物喂养实验。

Sakamoto等用转基因大豆饲喂大鼠104周,观察大鼠生长、血清指标,发现长期饲喂转基因大豆并未对大鼠产生明显的不良影响。Zhou等用转基因大米喂养大鼠90d,大鼠未出现不良反应,证明其与传统大米同样安全营养。

国际和国内批准生产和颁发安全证书的转基因农产品经外源基因表达产物和转基因全食品毒理学评价,证明食用转基因大豆、玉米、大米等与非转基因对照同样不具有毒理学意义上的安全风险。

2.3转基因农产品的致敏性评价

致敏性不是转基因农产品所独有的,但是由于转基因技术打破了自然界中物种间的遗传物质不能相互转移的生物屏障,为防范由转基因技术造成的物种间过敏基因的转移,对外源基因表达产物进行致敏性评价是转基因农产品安全评价的必须环节。目前,世界各国均采用国际食品法典委员会(CAC)推荐的转基因农产品过敏分析原则和程序,主要从以下几个方面评价转基因农产品的致敏性:

一是外源基因是否来源于含有过敏原的生物,外源基因是否编码致敏原。二是通过与国际权威大型在线致敏原数据库(www.allergenonline.com)中的过敏原进行比较分析是否具有同源性,其中包括1700余种致敏原的氨基酸序列。中国农业大学食品科学与营养工程学院建成了中国食物过敏原数据库,其中包含1498条已知过敏原记录,数据库发布在http://175.102.8.19:8001/site/index。三是对于供体含有致敏原的,或新蛋白质与已知过敏原具有序列同源性的,应进行与已知致敏原为抗体的血清实验,即特异血清筛选实验。四是体外模拟胃液蛋白消化稳定性试验分析。五是通过动物模型评估外源基因表达蛋白的致敏性。最常用的致敏动物模型有C3H/HeJ小鼠和BN大鼠,其中BN大鼠最适合作为转基因农产品蛋白致敏性评价的动物模型。六是对于受体含有致敏原的,应对致敏原成分含量进行检测分析。


2.4转基因农产品的免疫安全性评价

机体对外来化学物的免疫反应要远早于组织、器官出现明确的病理损害之前,因此免疫安全性评价是评价外来化合物毒性的敏感指标,成为科学家研究转基因农产品安全性的热点之一;其主要内容有组织病理学观察、免疫器官指数分析、常规非特异性免疫分析、特异性体液免疫、特异性细胞免疫、肠道黏膜免疫分析等。Hammond等以大鼠为实验动物,研究了两种转基因玉米对大鼠器官(肾上腺、肝脏、肾脏、脾脏)组织病理学的影响,未发现大鼠器官发生明显的病理变化。邢福国等以小鼠为实验动物,研究了转Cry1Ac/Sck基因大米对免疫器官指数、血常规、白细胞分类、血液淋巴细胞亚群、腹腔巨噬细胞吞噬率、血清抗体滴度等免疫指标的影响,结果表明转Cry1Ac/Sck基因大米对小鼠免疫功能的影响与非转基因亲本大米基本相同,未对小鼠免疫功能产生不良影响。Zhou等发现重组人乳铁蛋白(rhlF)与已知的牛乳过敏原氨基酸序列的相似度高达71.4%,而且未发现rhLF与鸡蛋、牛奶过敏患者血清中的IgE发生特异性免疫结合。所以推测rhLF的潜在致敏性很低,可以添加到食品中作为食品添加剂使用。Teshima等评价转Cry9C基因玉米CBH351对BA大鼠和B10A小鼠免疫系统的影响发现,转基因组和非转基因组的生长指标、饲料利用率、免疫器官组织学观察均没有显著差异,大鼠和小鼠血清中均未检测出Cry9C蛋白特异性的IgE和IgA抗体。含50%转基因玉米饲料饲喂的BN大鼠血清中,Cry9C蛋白特异性的IgG和IgG1抗体轻微升高,而在含5%转基因玉米饲料饲喂的BN大鼠血清中未检出Cry9C蛋白特异性的IgG和IgG1抗体,表明转基因玉米对大鼠和小鼠没有免疫毒性。以上研究结果表明,转基因农产品均未对实验动物的免疫系统造成显著影响,转基因农产品与非转基因农产品对照在免疫毒理学方面的评价具有实质等同性,但是根据个案分析原则,针对不同转基因农产品需要根据转入基因及表达产物的性质开展免疫安全性评价。

2.5转基因农产品的非预期效应

非预期效应是指通过转基因技术把新基因插入生物体时,除了目的基因外由其他基因插入产生的某种没有预料到的效应,在表型、反应和成分上与非转基因亲本呈现出的统计学显著性差异。据此,非预期效应可分为“可预料的非预期效应”和“不可预料的非预期效应”。非预期效应的产生由以下几种机制引起:(1)外源基因插入内源基因的“阅读框”,使内源基因的核酸序列破坏无法有效表达;(2)外源基因插入内源基因调控元件的“功能区”,使调控基因功能改变,导致受其调控的内源基因不能有效表达;(3)外源基因插入基因组的某个“敏感域”内,使原本“沉默”的内源基因被“激活”而高效表达;(4)外源基因的转录或表达产物能够诱导或抑制内源基因表达,直接或间接使这些内源基因的表达发生质或量的变化;(5)外源基因的表达产物是植物细胞某一代谢途径的诱导或抑制因子,从而调节植物主要和次级代谢产物的量。这五种可能机制都将会产生非预期效应,并可能产生有潜在毒性产物。

非预期效应的研究方法主要有:转录组学、蛋白质组学和代谢组学。转录组学是研究非预期效应应用最广泛的技术,在整体水平上研究细胞中基因转录情况及转录调控规律,Cheng等研究了温室种植的转CP4-epsps基因大豆与非转基因对照三叶期幼苗叶子的基因表达谱发现,在37583个基因中,两个转基因株系2601R和PS46RR与非转基因大豆品系OACBayfield相比,差异表达基因个数分别为44个和109个;与非转基因品系S03-W4相比,差异表达基因个数分别为248和290个;然而,非转基因大豆品系Mandarin与其他5个品系相比,差异表达基因个数超过1000个,是任何组合间差异的两倍多。表明在转录组学水平上,常规大豆品系间基因表达差异水平要显著高于转基因大豆与非转基因对照间的差异。Coll等应用微阵列技术研究自然变异对转基因玉米MON810及其对照品系转录产物的影响,结果表明转基因玉米与非转基因对照之间表达差异的转录序列只占分析序列的0.14%,而常规育种、施肥方式、转基因对转录序列变异的贡献分别占37.4%、31.9%、9.7%。可见,自然变异对玉米转录组有较大的影响,而基因转化的影响较小。蛋白质组学的方法完善了其他组学的方法,是高分辨双向电泳分离组织蛋白质、图像分析帮助比较分离结果和质谱确定感兴趣蛋白质的性质三大技术的融合。Coll等发现转基因玉米MON810与其对照株系的籽粒蛋白质组几乎一致,只有几个蛋白质点有1-1.8倍的变化,表明转基因玉米与其非转基因对照具有实质等同性。Wang等应用蛋白质组学技术研究了基因插入和生长环境对转基因水稻的影响发现,不同地点种植的非转基因水稻亲本对照有21种蛋白质表达量不同,而在相同地点种植的转基因水稻与非转基因亲本有20-22种蛋白质水平发生上调或下调,结果表明转基因水稻和常规水稻在营养成分具有实质等同性,而且环境条件对水稻蛋白质组变异的影响并不比单基因插入的影响小。Xue等比较了携带Bt和磷酸烯醇式丙酮酸激酶(PEPC)转基因的两个水稻品系与其非转基因对照的蛋白质组图谱,两个转基因水稻株系中的1,6-二磷酸果糖醛缩酶表达量均增加,转Bt基因水稻中5-甲基四氢叶酸三谷氨酸-高半胱氨酸甲基转移酶表达量升高,柠檬酸裂合酶表达量下调;转pepc基因水稻的细胞周期蛋白依赖激酶B2-1和丝氨酸蛋白酶抑制剂Z2B表达量增加。代谢组学以生物系统中的代谢产物为分析对象,采用高通量、高灵敏度的现代仪器分析技术,对代谢化合物进行定性和定量分析,Kim等比较转基因水稻与非转基因对照的52种极性化合物发现,二者代谢物图谱基本等同;Zhou等研究抗虫水稻的代谢轮廓谱发现,组织培养对转基因水稻的代谢物轮廓谱的改变比基因插入的影响更显著;Chang等对转双价抗虫基因稻米代谢图谱的研究发现环境引起代谢物的变化比转基因的影响更显著。

3转基因农产品加工安全性评价

农产品加工过程是一个复杂的过程,包括物理变化(机械处理、高压和高温)、化学变化(酸和碱)和生物反应(发酵和酶促反应)等多种复杂的反应。王林等发现干热和湿热处理对内、外源基因均具有显著的降解作用,且湿热处理的降解作用更强。Ballari等研究发现高压灭菌和紫外辐射处理对转基因食品中DNA的降解作用很强。Fernandes等研究发现发酵和焙烤过程都会导致转基因玉米DNA的降解。张伟和邢福国等研究发现米饭和米粉的加工对外源基因的降解作用较小;米果加工过程中,油炸处理对各基因的降解最严重;其次是微波、焙烤;与其他3种加工工艺相比,米酒加工过程对内、外源基因的降解效果最为显著。

各种农产品加工过程都会对转基因农产品内、外源基因有不同程度的降解作用,从而大大降低了水平转移完整功能基因的风险,提高转基因农产品的安全性。

4转基因农产品饲用安全性评价

我国是全球饲料生产第一大国,占全球饲料产量的20%左右,2014年我国饲料产量为1.93亿吨。饲料蛋白的主要来源是豆粕,而国内豆粕饲料的原材料主要是来自美国、巴西、阿根廷等地进口的转基因大豆,2014年我国进口转基因大豆7017万t,转基因豆粕产量超过5600万t。我国每年还要进口部分转基因豆粕和转基因玉米、转基因棉籽粕和油菜粕,也都是直接用于饲料生产,因此,我国畜禽饲料基本上都含有转基因成分,开展转基因农产品饲用安全性评价是非常必要的。

转基因农产品饲用安全性评价的主要内容包括:营养学评价、免疫安全性评价、动物肠道微生态安全性评价、外源基因和蛋白残留安全性评价等。秦海峰、徐志远等以Cry1Ac/Sck基因糙米作为肉仔鸡和鲤鱼日粮原料评价了其饲用安全性,结果表明饲喂转基因糙米对肉仔鸡和鲤鱼营养性能、免疫性能、肠道微生物区系等均未产生不良影响,是安全的,转基因糙米中的外源基因及其表达蛋白在肉仔鸡和鲤鱼的器官、肌肉、肠道和粪便中未检出。以转基因农产品作为动物日粮原料,在养殖期内未发现对动物生长和屠宰性能、免疫性能、肠道微生物菌群等指标造成不良影响,外源基因及其表达蛋白也没有发生转移和累积,是安全的。

5新型转基因农产品安全性评价

近年来,以药用、工业用及复合性状为代表的新一代转基因植物成为转基因技术开发和研究的热点。利用转基因植物作为生物反应器能够大量生产优质外源药用蛋白,如疫苗、人血清蛋白、抗体、酶和多肽等,目前有30多种源自转基因植物的医药产品已处于临床实验,其中9种已进入市场销售。在这类转基因植物快速发展的同时,其食用安全性评价技术体系的建立却明显滞后。到目前为止,对于药用转基因植物的安全性评价一般是按照临床医学评价体系进行评价,对于工业用转基因植物还没有建立其食用安全性评价体系,可是在存放或者使用的过程中,有掺入食品及动物饲料中的可能性,因此建立工业用转基因植物的食用安全性评价技术体系势在必行。

针对药用和工业用转基因植物及其产品,可对其外源蛋白与全食品进行包括营养、毒理、过敏、免疫在内的综合食用安全评价。着重通过毒理学评价手段,评估非食用目的转基因植物及其产品在食物链中的最大无作用剂量及允许存在阈值,并进行非食用目的转基因植物的代谢标志物筛选,为转基因农产品预警体系的建立提供技术支撑。药用植物的外源蛋白质可能涉及到特殊用途过敏来源蛋白质或具有特殊免疫功能的蛋白质(如疫苗),因此在过敏和免疫评价中需结合其用途综合考虑。与此同时,工业用转基因植物的外源蛋白可能涉及耐热、抗消化类的蛋白质,需要结合其预期用途与其他评价结果综合考虑。

复合性状转基因植物有多个基因转入,基因之间可能存在非关联、关联、代谢等相互作用关系,引起的非期望效应可能更为显著。所以,对复合性状转基因植物的安全性评价应将重点放在转入基因的相互作用方面,对其进行外源蛋白与植物全食品的食用安全综合评价。还应关注由性状叠加造成的外源蛋白摄入量增加,以及对植物体内主要营养成分的营养平衡与营养功能的影响,并利用代谢组学与蛋白质组学技术分析实验动物体内代谢成分的非期望效应。

随着以药用、工业用及复合性状转基因植物为代表的新一代转基因作物的迅猛发展,建立适用于药用、工业用及复合性状转基因植物的安全评价技术体系是今后该研究领域的必然发展趋势,这必将有力推进我国乃至全球转基因技术的健康发展。

6转基因农产品食用安全性标准体系的建立

随着对转基因生物食用安全性研究的深度和广度的不断拓展,科学界对农业转基因生物的食用安全问题有了更加全面和理性地认识。为防范农业转基因生物对人类健康的危害或者潜在风险,各相关国际组织和各国政府专门制定了农业转基因生物及产品食用安全的管理法规。但迄今仍然缺乏较为统一、规范的标准体系,来规定农业转基因生物的食用安全性要求与评价的标准。每个国家以及不同的评价方案都有不同的标准,还在沿用每评价一个个案独立制定一个评价方案的方法。为了更好地适应全球农业转基因生物及其产品生产和贸易快速发展的要求,各相关的国际组织和国家都在致力于不断充实和完善农业转基因生物及产品食用安全性的评价程序和方法,积极推进标准国际化的进程。

目前,从事转基因生物食用安全标准国际化的组织,主要是国际食品法典委员会(Codexalimentariuscommission,CAC),负责制定国际通用的食品标准、食品加工指南和相关视频生产操作手册等。已经发布的转基因相关食用安全检测指南(标准)有《现代转基因食品的安全风险评估原则》、《重组DNA植物及其食品安全性检测指南》以及《重组DNA微生物及其食品安全性检测指南》。经过多年的努力和发展,我国农业转基因生物安全标准体系也已初步形成,并取得了一定的成效,如颁布了《农业转基因生物安全评价管理办法》、《农业转基因生物进口安全管理办法》和《农业转基因生物安全管理条例》等标准条例,安全评价的内容和指标均等于或高于国际法规。

7展望

2004-2014年,我国粮食总产量实现了“十一连增”,但是,人口、资源、生态问题突出,粮食安全面临诸多挑战。在耕地只会减少不会增加的情况下,要从根本上解决我国粮食安全问题,必须依靠科技创新,提高粮食单产,加大力量开展作物育种研究。转基因育种技术与传统育种技术是一脉相承的,转基因技术是对传统技术的发展和补充,是农业科技的发展方向和必然趋势。将两者紧密结合,可相得益彰,大大地提高农产品品种改良的效率。我国各级政府和科研机构都十分重视食品安全,为了维护人民身体健康,针对转基因农产品安全性问题,更是制定了一系列的转基因农产品安全评价、审批、标识管理制度,安全评价指标、审批程序等方面的要求均等于或高于国际法规。但是随着转基因技术的迅速发展,转基因农产品的种类和数量急剧增多,如复合性状转基因作物逐渐增多,在其安全评价方面,应根据国际发展趋势和国家综合实力等多方面因素,制定适合我国国情的转基因农产品产业发展和安全管理办法,加强农产品安全的科学技术研究,逐步完善转基因农产品安全评价技术、标准和规程,用科学的安全评价手段有效地保障转基因农产品的质量,更加有力推进我国乃至全球转基因技术的健康发展。

作者邢福国、滑慧娟、刘阳单位系中国农业科学院农产品加工研究所农业部农产品加工重点实验室,原文链接:http://biotech.caas.cn/CN/abstract/abstract10631.shtml

来源:生物技术通报

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